Bei der modernen industriellen Automatisierung und Präzisionsmechanikregelung ist eine genaue Rotationspositionserkennung von entscheidender Bedeutung. Der Reluctanz Resolver , die allgemein als Resolver bezeichnet wird, ist ein sehr zuverlässiger Sensor, der bei Servomotoren, Robotik und anderen Anwendungen verwendet wird, die eine präzise Positionierung erfordern. In diesem Artikel wird kurz die funktionierenden Prinzipien von Resolver vorgestellt und wie sie eine Rotationspositionierung erreichen.
Ein Resolver ist ein Analogsensor, der auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert und den mechanischen Winkel eines Rotors in elektrische Signale umwandeln kann. Im Gegensatz zu digitalen Sensoren wie optischen Encodern bieten Resolver kontinuierliche analoge Signale für Rotationspositionsinformationen und bieten überlegene Anti-Interferenz-Funktionen und Zuverlässigkeit, insbesondere in rauen Umgebungen.
Kernstruktur und Arbeitsprinzipien der Zurückhaltungsreserve
Um zu verstehen, wie Zurückhaltungsresoler eine präzise Rotationspositionierung erreichen, ist es wichtig, sich in ihre einzigartige physikalische Struktur einzulassen. Das geniale Design dieser Sensoren bildet die Grundlage ihrer hohen Leistung und veranschaulicht die praktische Anwendung elektromagnetischer Induktionsprinzipien.
Revolutionäres strukturelles Design
Die Struktur eines Zurückhaltungsreservens besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Stator , -Kernkern und dem Wickelsystem . Der Statorkern wird aus Siliziumstahlblättern mit hoher Permeabilität mit großen Zähnen (Stangenschuhen), die auf den inneren Umfang geschlagen werden, in gleichmäßig verteilte kleine Zähne weiter unterteilt. Die Anordnung und Form dieser kleinen Zähne werden akribisch berechnet, um eine ideale sinusförmige Magnetfeldverteilung zu gewährleisten. Der Rotor ist einfacher und besteht nur aus Zahnstahllaminationen ohne Wicklungen oder elektronischen Komponenten. Dieses 'passive' Design ist der Schlüssel zur hohen Zuverlässigkeit des Resolvers.
Das Wicklungssystem befindet sich vollständig auf dem Stator und umfasst eine Anregungswicklung und zwei orthogonale Ausgangswicklungen (Sinus- und Cosinus -Wicklungen). Diese Wicklungen sind konzentriert und verteilt nach einem sinusförmigen Muster, um die sinusförmigen Eigenschaften der Ausgangssignale zu gewährleisten. Bemerkenswerterweise sind die Ausgangswicklungen in einer alternierenden und reversen Konfiguration angeordnet, wodurch harmonische Interferenz effektiv unterdrückt und die Signalreinheit verbessert wird.
Positionierungsprinzip basierend auf Zurückhaltungsvariationen
Das Arbeitsprinzip eines Zurückhaltungsresolvers dreht sich um den Luftspaltmagnetleitfähigkeitsmodulation . Wenn eine sinusförmige Wechselstromspannung (typischerweise 7 V bei 1-10 kHz) auf die Anregungswicklung aufgetragen wird, wird im Stator ein abwechselndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld verläuft durch den Luftspalt zum Rotor. Aufgrund des Vorhandenseins von Rotorzähne ändert sich die magnetische Zurückhaltung (die Umkehrung der magnetischen Leitfähigkeit) des Magnetkreislaufs mit der Position des Rotors.
Insbesondere wird die Zurückhaltung minimiert und der magnetische Fluss maximiert, wenn die Rotorzähne mit den Statorzähne übereinstimmen. Umgekehrt wird die Zurückhaltung maximiert und der magnetische Fluss minimiert, wenn die Rotorschlitze mit den Statorzähne ausgerichtet sind. Für jede Zahnsteigung, die der Rotor dreht, vervollständigt die Luftspaltmagnetleitfähigkeit einen vollen Variationszyklus. Diese Modulation des Anregungsmagnetfeldes induziert Spannungssignale in den Ausgangswicklungen, deren Amplituden mit der Winkelposition des Rotors korrelieren.
Wenn die Anregungsspannung e₁ = e₁msinωt ist, können die Spannungen der beiden Ausgangswicklungen als:
· Sinuswicklung Ausgang: eₛ = eₛₘcosθsinωt
· Kosinuswickelausgabe: e_c = e_cmsinθSinωt
Hier repräsentiert θ den mechanischen Winkel des Rotors und ω is die Winkelfrequenz des Anregungssignals. Im Idealfall sollten Eₛₘ und E_CM gleich sein, aber Herstellentoleranzen können Amplitudenfehler einführen, die eine Kalibrierung oder Kreislaufkompensation erfordern.
Polpaare und Messgenauigkeit
Die Polpaare eines Zurückhaltungsreservens sind ein kritischer Parameter, der sich direkt auf die Messgenauigkeit und -auflösung auswirkt. Die Anzahl der Polpaare entspricht der Anzahl der Rotorzähne und bestimmt den mechanischen Drehwinkel, der für einen vollständigen elektrischen Signalzyklus erforderlich ist. Beispielsweise erzeugt ein Resolver mit 4 Polpaaren 4 elektrische Signalzyklen pro mechanischer Drehung, wodurch der mechanische Winkel um einen Faktor 4 für die Messung effektiv 'amplifiziert wird.
Häufige Zurückhaltung von Resolver auf dem Markt reichen von 1 bis 12 Polpaaren. Höhere Pole zählen theoretisch eine höhere Winkelauflösung, wobei 12-polige Resolver ± 0,1 ° oder eine bessere Genauigkeit erreichen. Erhöhung der Polpaare erhöht jedoch auch die Komplexität der Signalverarbeitung und erfordert einen Kompromiss aufgrund der Anwendungsanforderungen.
Diese Winkelmessmethode basiert auf Widerstandsvariation und elektromagnetischer Induktion, die Zurückhaltung der Zurückhaltung, stabil über einen weiten Temperaturbereich (-55 ° C bis +155 ° C) zu arbeiten, wobei die Schutzbewertungen bis zu IP67 oder höher sind. Sie können starke Vibrationen und Schocks standhalten, was sie ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und militärische Anwendungen macht.
Signalverarbeitung und Winkelberechnungstechniken
Die analogen Signale, die von Reluctance Resolvers ausgegeben werden, erfordern spezielle Verarbeitungsschaltungen, um sie in nutzbare digitale Winkelinformationen umzuwandeln. Dieser Prozess umfasst komplexe Signalkonditionierungs- und Dekodierungsalgorithmen, die für die Erreichung einer hohen Präzisionspositionierung in Resolver-Systemen von entscheidender Bedeutung sind.
Von analogen Signalen bis hin zu digitalen Winkeln
Die rohen Signale aus einem Reluktanzauflösung sind zwei Sinuswellen (sinθSinωt und cosθsinωt), die durch den Rotorwinkel moduliert wurden. Das Extrahieren der Winkelinformationen θ beinhaltet mehrere Verarbeitungsschritte. Erstens werden die Signale Bandpassfilterung unterzogen , um Hochfrequenzrauschen und niedrige Frequenzstörungen zu entfernen. Als nächstes entfernt die phasensensitive Demodulation (oder eine synchrone Demodulation) die Trägerfrequenz (typischerweise 10 kHz), wodurch niedrige Frequenzsignale sin & thgr; und cosθ die Winkelinformation enthalten.
Moderne Dekodierungssysteme verwenden typischerweise digitale Signalprozessoren (DSPs) oder dedizierte Resolver-zu-Digital-Konverter (RDC) zur Winkelberechnung. Diese Prozessoren verwenden Cordic -Algorithmen oder Arctangent -Operationen, um die Sin & thgr ;- und cosθ -Signale in digitale Winkelwerte umzuwandeln (Koordinatenrotation digitaler Computer). Beispielsweise verfügt der DSPIC30F3013-Mikrocontroller über ein integriertes ADC-Modul zur synchronen Abtastung der beiden Signale, gefolgt von Softwarealgorithmen zum Berechnen des genauen Winkels.
Fehlerkompensation und Genauigkeitserhöhung
In praktischen Anwendungen können verschiedene Faktoren Messfehler einführen, einschließlich:
· Amplitudenungleichgewicht : ungleiche Amplituden von Sinus- und Kosinusausgangssignalen (eₛₘ ≠ e_cm)
· Phasenabweichung : Nicht ideal 90 ° Phasenunterschied zwischen den beiden Signalen
· Harmonische Verzerrung : Signalverzerrung aufgrund nicht-sinusoidaler Magnetfeldverteilung
· Orthogonaler Fehler : Winkelabweichung durch ungenaue Wickelinstallation verursacht
Um die Systemgenauigkeit zu verbessern, verwenden fortschrittliche Dekodierungsschaltkreise verschiedene Vergütungstechniken. Beispielsweise der automatischen Verstärkungssteuerung (AGC) die Amplituden der beiden Signale. können die Amplituden der beiden Signale, digitale Filter, harmonische Interferenzen unterdrücken, und Softwarealgorithmen umfassen bei Mit sorgfältigem Design und Kalibrierung können Resolver-Systeme Winkelfehler innerhalb von ± 0,1 ° erreichen und die Anforderungen der meisten hochpräzise Anwendungen erfüllen.
Trends in neuen Dekodierungstechnologien
Fortschritte in der Halbleitertechnologie treiben die Innovation bei der Verarbeitung von Resolver -Signalverarbeitung vor. Traditionelle Demodulationsschaltungen mit diskretem Komponenten werden allmählich durch integrierte Lösungen ersetzt . Einige neue Decoder -Chips integrieren Anregungssignalgeneratoren, Signalkonditionierungsschaltungen und digitale Berechnungseinheiten, wodurch das Systemdesign erheblich vereinfacht wird.
In der Zwischenzeit die softwaredefinierte Dekodierung an Popularität. gewinnt Dieser Ansatz nutzt die Rechenleistung von Hochleistungs-Mikroprozessoren, um die meisten Signalverarbeitungsfunktionen in Software zu implementieren und eine größere Flexibilität und Programmierbarkeit zu bieten. Beispielsweise können Filterparameter, Kompensationsalgorithmen oder sogar Ausgabedatenformate für kundenspezifische Winkelmesslösungen angepasst werden.
Es ist erwähnenswert, dass das Dekodierungssystem genauso entscheidend ist wie der Resolver selbst. Eine gut gestaltete Dekodierungsschaltung kann das Leistungspotential des Resolvers vollständig realisieren, während eine dekodierende Lösung von geringer Qualität zum Engpass des gesamten Messsystems wird. Bei der Auswahl einer Resolver -Lösung muss daher die Kompatibilität zwischen Sensor und Decoder sorgfältig berücksichtigt werden.
Leistungsvorteile und Anwendungsbereiche von Zurückhaltungsreserven
Dank ihrer einzigartigen Arbeitsprinzipien und ihres strukturellen Designs übertreffen Zurückentwicklungsresolvers, die traditionellen Positionssensoren in mehreren wichtigen Leistungsmetriken übertreffen. Diese Vorteile machen sie zur bevorzugten Wahl für die Winkelerkennung in vielen anspruchsvollen industriellen Anwendungen.
Umfassende Leistungsüberlegenheit gegenüber traditionellen Sensoren
Im Vergleich zu herkömmlichen Positionserkennungsgeräten wie optischen Encodern und Hallsensoren zeigen Zurückentwicklungsreserven Allround-Leistungsvorteile:
· Außergewöhnliche Umweltanpassungsfähigkeit : Temperaturen im Bereich von -55 ° C bis +155 ° C, wobei Schutzbewertungen bis zu IP67 oder höher reichen und starke Vibrationen und Stöcke standhalten können (z. B. harte Umgebungen wie Automobilmotor -Kompartimente).
· Kontaktlose lange Lebensdauer : Das Fehlen von Wicklungen oder Bürsten am Rotor beseitigt den mechanischen Verschleiß und ermöglicht eine theoretische Lebensdauer von Zehntausenden von Stunden.
· Reaktion der Ultrahochgeschwindigkeit : Unterstützt Geschwindigkeiten von bis zu 60.000 U / min, was die Grenzen der meisten optischen Encoder weit überschreitet.
· Absolute Positionsmessung : Bietet absolute Winkelinformationen, ohne einen Bezugspunkt zu erfordern, und liefert Positionsdaten unmittelbar nach dem Einschalten.
· Starke Anti-Interferenz-Fähigkeit : Basierend auf der elektromagnetischen Induktion ist es unempfindlich gegenüber Staub, Öl, Luftfeuchtigkeit und äußeren Magnetfeldern.
Kernanwendungen in neuen Energiefahrzeugen
In der neuen Energiefahrzeugindustrie sind Zurückhaltung der Resolanz zum Goldstandard für die Erkennung von Motorpositionen geworden. Sie werden in den Antriebsmotorsteuerungssystemen von Batterie -Elektrofahrzeugen (BEVs) und Hybrid -Elektrofahrzeugen (HEVs) häufig eingesetzt, wobei wichtige Funktionen wie folgt:
· Rotorpositionserkennung : Bietet präzise Rotorwinkelinformationen für die Vektorsteuerung von permanenten Magnetensynchronmotoren (PMSM).
· Geschwindigkeitsmessung : Berechnet die Motordrehzahl aus der Winkeländerungsgeschwindigkeit und ermöglicht die Geschwindigkeitsregelung mit geschlossenem Schleife.
· Elektrische Servolenkung (EPS) : Lenkradwinkel erkennt, um genaue Lenkunterstützung zu liefern.
Industrieautomatisierung und spezielle Anwendungen
Über den Automobilsektor hinaus werden auch Zurückhaltungsreserven in der industriellen Automatisierung weit verbreitet:
· CNC -Maschinenmaschinen : Spindelpositionierungs- und Futterachswinkelmessung.
· Robotergelenke : Genauige Kontrolle der Roboterarmbewegungen.
· Textilmaschinerie : Garnspannungsregelung und Wickelwinkelerkennung.
· Injektionsformmaschinen : Überwachung und Steuerung der Schraubenposition.
· Militär und Luft- und Raumfahrt : Radarantennenpositionierung, Raketenruderkontrolle und andere Anwendungen mit extremer Umwelt.
Beim Hochgeschwindigkeits-Schienen- und Schienenverkehr werden Zurückentwicklungsreserve für die Drehzahl und Position der Traktionsmotors und zur Position der Position, bei denen ihre hohen Zuverlässigkeits- und wartungsfreien Merkmale die Lebenszykluskosten erheblich senken. Harte Umgebungen wie Bergbaumaschinen (z. B. unterirdische Kohletransportfahrzeuge und Förderbandmotoren) nehmen zunehmend zurückhaltende Resolver an, um traditionelle Sensoren zu ersetzen.
Mit dem Aufkommen der Industrie 4.0 und der intelligenten Fertigung entwickeln sich die Zurückhaltung der Zurückhaltung zu höherer Präzision, kleinerer Größe und größerer Intelligenz. Produkte der nächsten Generation werden sich auf die Kompatibilität mit integrierten Designs mit motorischen Gearbox-Drive sowie auf die Entwicklung von ölresistenten und hochtemperaturbeständigen Varianten konzentrieren, um den Anforderungen von ölgekühlten Systemen gerecht zu werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass drahtlose Übertragung und selbstdiagnostische Fähigkeiten zukünftige Trends werden und ihren Anwendungsumfang weiter erweitern.
Technische Herausforderungen und zukünftige Trends für Zurückhaltungsreserve
Trotz ihrer ausstehenden Leistung und Zuverlässigkeit in verschiedenen Bereichen stehen uns widersprüchliche Resolver weiterhin vor technischen Herausforderungen und weisen klare Innovationsanweisungen auf.
Bestehende technische Engpässe und Lösungen
Präzisionsanforderungen mit hoher Herstellung sind eine große Herausforderung für Zurückhaltungserschlüsse. Die Bearbeitungsgenauigkeit von Statorzähne, die Gleichmäßigkeit der Wicklungsverteilung und der Rotor -Dynamikausgleich beeinflussen direkt die Genauigkeit und Leistung der Sensor. Bei hochpräzisen Resolvers mit mehreren Polpaaren (z. B. 12 Polpaaren) können selbst Micron-Level-Fertigungsfehler zu inakzeptablen Amplituden- oder Phasenfehlern führen. Zu den Lösungen für diese Ausgabe gehören:
· Einführung hochpräziser Stempelformen und automatisierten Laminierungsprozesse, um die Konsistenz und die Genauigkeit der Zahnspanne im Kern sicherzustellen.
· Einführung der Magnetfeldanalyse für Finite -Elemente zur Optimierung des Magnetkreisendesigns und der Ausgleich der Herstellentoleranzen.
· Entwicklung von Selbstkompensationsalgorithmen zur automatischen Korrektur von inhärenten Sensorfehlern während der Signalverarbeitung.
Eine weitere Herausforderung ist die Komplexität der Systemintegration . Obwohl der Resolver selbst eine einfache Struktur aufweist, umfasst ein vollständiges Messsystem Subsysteme wie Anregungsstromversorgungen, Signalkreisschaltungen und Decodierungsalgorithmen, die bei schlecht gestalteten Engpässen zu werden können. Um dies anzugehen, bewegt sich die Branche in Richtung integrierte Lösungen :
· Integration von Anregungsgeneratoren, Signalkonditionierung und Dekodierung von Schaltkreisen in einen einzelnen Chip, um das Systemdesign zu vereinfachen.
· Entwicklung standardisierter Schnittstellen (z. B. SPI, CAN) für die nahtlose Integration mit Hauptcontrollern.
· Bereitstellung umfassender Entwicklungskits, einschließlich Referenzdesigns, Softwarebibliotheken und Kalibrierungstools.
Innovationsrichtungen und zukünftige Trends
Materielle Innovation wird Leistungsbrachbrüche in die Zurückhaltung von Resolver bringen. Neue weiche magnetische Verbundwerkstoffe (SMCs) mit dreidimensionalen isotropen magnetischen Eigenschaften können die Magnetfeldverteilung optimieren und die harmonische Verzerrung verringern. In der Zwischenzeit erweitern die hochtemperaturstabilen Isoliermaterialien und korrosionsbeständigen Beschichtungen den Betriebsumgebungsbereich des Sensors.
Intelligenz ist eine weitere kritische Richtung für zukünftige Zurückhaltungsreserve. Durch die Integration von Mikroprozessoren und Kommunikationsschnittstellen können Resolver erzielen:
· Selbstdiagnostische Funktionen : Echtzeitüberwachung der Sensorgesundheit und die verbleibende Vorhersage der Lebensdauer.
· Anpassungskompensation : Automatische Anpassung der Kompensationsparameter basierend auf Umgebungsänderungen (z. B. Temperatur).
· Vernetzte Schnittstellen : Unterstützung für fortschrittliche Kommunikationsprotokolle wie Industrial Ethernet, die die Integration in industrielle IoT -Systeme (IIOT) ermöglichen.
In Bezug auf die Anwendungsausdehnung steigen die Zurückhaltung von Zurückhaltung in zwei Richtungen: In Richtung höherer Präzisionsanwendungen (z. B. Halbleiter-Produktionsgeräte, medizinische Roboter), die eine höhere Auflösung und Zuverlässigkeit erfordern, sowie zu wirtschaftlicheren und weit verbreiteten Anwendungen (z.
Ein besonders bemerkenswerter Trend ist die Anwendung von Widerstimmungsresolvers in neuen Energiefahrzeugen der nächsten Generation . Wenn sich motorische Systeme zu höheren Geschwindigkeiten und Integration entwickeln, müssen Positionssensoren anspruchsvollere Anforderungen erfüllen:
· Unterstützung für ultrahochgeschwindige Geschwindigkeiten von mehr als 20.000 U / min.
· Toleranz für Temperaturen über 150 ° C.
· Kompatibilität mit ölgekühlten Systemdichtungsdesigns.
· Kleinere Installationsabmessungen und leichteres Gewicht.
Standardisierung und Industrialisierungsfortschritt
Da die Zurückhaltung der Resolvertechnologie reift, Standardisierungsbemühungen voran. gehen auch China hat nationale Standards wie GB/T 31996-2015 allgemeine technische Spezifikationen für Resolver zur Regulierung der Produktleistungskennzahlen und Testmethoden eingerichtet. In Bezug auf die Industrialisierung hat die chinesische Zurückhaltung der Resolver -Technologie international fortgeschrittene Niveaus erreicht.
Es ist vorhersehbar, dass bei technologischen Fortschritt und Industrialisierung die Zurückhaltung von Zurückhaltung herkömmliche Sensoren in mehr Feldern ersetzen und zur Mainstream -Lösung für die Erkennung von Rotationspositionen werden und eine kritische technische Unterstützung für die industrielle Automatisierung und die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge bieten.
